實驗名稱：固體結(jie)構多傳感(gan)信(xin)息應(ying)力(li)波通信(xin)應(ying)用(yong)實驗

　　研究方向：隨著經(jing)濟(ji)的(de)(de)快(kuai)速(su)發展(zhan)(zhan)和科學技術(shu)的(de)(de)進步，各種(zhong)大型復雜工(gong)業(ye)結(jie)構(gou)(gou)不斷(duan)出現(xian)，由(you)于環境載荷(he)作用(yong)、材料老化、突(tu)發自然(ran)災(zai)害以及其它人(ren)為破壞等(deng)影響，會在(zai)一定程度上影響結(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)安全性(xing)、適用(yong)性(xing)和耐久性(xing)，從而(er)導(dao)致(zhi)(zhi)抗力(li)衰減(jian)甚至突(tu)發事故，使人(ren)民生命財產安全受到(dao)(dao)威脅(xie)，為此建立有效的(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)健(jian)康監測(ce)系(xi)統(tong)(tong)，對大型工(gong)業(ye)結(jie)構(gou)(gou)狀態(tai)進行(xing)監測(ce)評估已成(cheng)為目(mu)前研究熱(re)點(dian)(dian)。結(jie)構(gou)(gou)監測(ce)系(xi)統(tong)(tong)一般(ban)需(xu)要(yao)(yao)(yao)監測(ce)多個對象，如損(sun)傷(shang)、振動、應力(li)、位移、傾(qing)斜等(deng)結(jie)構(gou)(gou)健(jian)康參數，早期(qi)結(jie)構(gou)(gou)監測(ce)系(xi)統(tong)(tong)主要(yao)(yao)(yao)采用(yong)總線(xian)(xian)通(tong)信(xin)協(xie)議而(er)形成(cheng)了有線(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)網(wang)絡，然(ran)而(er)有線(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)輸系(xi)統(tong)(tong)經(jing)常因(yin)承受過大外力(li)而(er)損(sun)壞，還需(xu)要(yao)(yao)(yao)預先將大量的(de)(de)通(tong)信(xin)電(dian)纜鋪(pu)設(she)在(zai)結(jie)構(gou)(gou)層中，不僅提高了系(xi)統(tong)(tong)成(cheng)本(ben)而(er)且(qie)需(xu)要(yao)(yao)(yao)耗費較長的(de)(de)安裝(zhuang)時(shi)(shi)間。目(mu)前由(you)配置微處理器(qi)(qi)和無線(xian)(xian)通(tong)信(xin)模塊的(de)(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)節點(dian)(dian)構(gou)(gou)建的(de)(de)無線(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)網(wang)絡具有價格低廉(lian)、快(kuai)速(su)搭建、維護簡單(dan)、擴(kuo)展(zhan)(zhan)性(xing)強等(deng)優點(dian)(dian)被廣泛用(yong)于大型固(gu)體結(jie)構(gou)(gou)健(jian)康監測(ce)中。然(ran)而(er)無線(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)節點(dian)(dian)容(rong)易由(you)于電(dian)源原因(yin)導(dao)致(zhi)(zhi)失效，造成(cheng)監測(ce)數據丟(diu)失；再者當(dang)運(yun)用(yong)到(dao)(dao)一些實際結(jie)構(gou)(gou)監測(ce)特殊(shu)環境中時(shi)(shi)，如金屬密封容(rong)器(qi)(qi)、水下海上平臺和地(di)下金屬管道等(deng)，無線(xian)(xian)電(dian)磁信(xin)號容(rong)易被屏蔽，同時(shi)(shi)電(dian)磁波(bo)信(xin)號在(zai)水（或(huo)土壤）等(deng)特殊(shu)環境中傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)播會嚴重(zhong)衰減(jian)，導(dao)致(zhi)(zhi)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)播距離非(fei)常短(duan)。因(yin)此在(zai)無線(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)網(wang)絡不能很好地(di)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)遞結(jie)構(gou)(gou)狀態(tai)信(xin)息的(de)(de)場合下，研究探索新型固(gu)體結(jie)構(gou)(gou)狀態(tai)監測(ce)信(xin)息通(tong)信(xin)方法顯得非(fei)常有意(yi)義。

　　近年來，隨著(zhu)對壓電材料PZT(piezoelectricceramictransducer)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)的(de)不(bu)(bu)斷深(shen)入，由于(yu)(yu)價格低廉、使用(yong)方便、靈敏(min)度(du)高(gao)(gao)、測(ce)(ce)量范圍大(da)等(deng)(deng)特點，基于(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)波(bo)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)健(jian)(jian)康監(jian)測(ce)(ce)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)技(ji)(ji)術為(wei)固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)狀(zhuang)態(tai)(tai)監(jian)測(ce)(ce)領域開(kai)辟(pi)了一(yi)條新的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)途徑。PZT不(bu)(bu)但兼有(you)(you)發(fa)射(she)與接(jie)收信(xin)(xin)號(hao)功能，還可(ke)以從信(xin)(xin)號(hao)中捕獲能量，嵌入在(zai)(zai)大(da)型復雜工(gong)(gong)業固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，并相(xiang)互連(lian)接(jie)成一(yi)個傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)網絡(luo)，具備了無線(xian)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)網絡(luo)優(you)點，而(er)且利用(yong)壓電效應(ying)(ying)實現(xian)聲電轉化(hua)，不(bu)(bu)容易(yi)損(sun)壞，可(ke)以實時(shi)有(you)(you)效提供關于(yu)(yu)被(bei)監(jian)視固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)完整性(xing)至關重要(yao)(yao)的(de)信(xin)(xin)息(xi)(xi)，因此(ci)，在(zai)(zai)大(da)型工(gong)(gong)業固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)中利用(yong)PZT產(chan)生(sheng)應(ying)(ying)力(li)波(bo)來實現(xian)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)數(shu)據通(tong)(tong)信(xin)(xin)具有(you)(you)巨大(da)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)空間。由于(yu)(yu)大(da)型工(gong)(gong)業固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)監(jian)測(ce)(ce)需(xu)要(yao)(yao)部署非常(chang)多(duo)(duo)不(bu)(bu)同類(lei)型傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)來提供結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)完整性(xing)信(xin)(xin)息(xi)(xi)，傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)節(jie)點數(shu)量變(bian)化(hua)和(he)潛在(zai)(zai)的(de)數(shu)據連(lian)接(jie)頻繁需(xu)要(yao)(yao)更(geng)復雜的(de)通(tong)(tong)信(xin)(xin)體(ti)系(xi)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)來實現(xian)固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)狀(zhuang)態(tai)(tai)多(duo)(duo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)信(xin)(xin)息(xi)(xi)獨立(li)(li)通(tong)(tong)信(xin)(xin)。為(wei)了避免多(duo)(duo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)信(xin)(xin)號(hao)之間的(de)互相(xiang)干擾(rao)，迫切需(xu)要(yao)(yao)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)可(ke)以在(zai)(zai)同一(yi)個介質中把不(bu)(bu)同通(tong)(tong)道信(xin)(xin)號(hao)相(xiang)區分的(de)新多(duo)(duo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)通(tong)(tong)信(xin)(xin)體(ti)系(xi)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)。擴頻理論是一(yi)種新型擴頻通(tong)(tong)信(xin)(xin)理論，擴頻通(tong)(tong)信(xin)(xin)與光纖通(tong)(tong)信(xin)(xin)、衛(wei)星通(tong)(tong)信(xin)(xin)一(yi)同被(bei)譽(yu)為(wei)進入信(xin)(xin)息(xi)(xi)時(shi)代的(de)三大(da)高(gao)(gao)技(ji)(ji)術通(tong)(tong)信(xin)(xin)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)方式，它具有(you)(you)較強(qiang)的(de)抗(kang)干擾(rao)、抗(kang)衰落、抗(kang)多(duo)(duo)徑性(xing)能以及低截獲性(xing)和(he)頻譜利用(yong)率高(gao)(gao)等(deng)(deng)優(you)點，目前廣泛應(ying)(ying)用(yong)于(yu)(yu)大(da)型通(tong)(tong)信(xin)(xin)系(xi)統通(tong)(tong)信(xin)(xin)中導航(hang)、保密通(tong)(tong)信(xin)(xin)、測(ce)(ce)距和(he)定位等(deng)(deng)各(ge)個方面。因此(ci)，以面向(xiang)大(da)型工(gong)(gong)業固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)健(jian)(jian)康監(jian)測(ce)(ce)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)網絡(luo)中各(ge)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)信(xin)(xin)息(xi)(xi)獨立(li)(li)通(tong)(tong)信(xin)(xin)為(wei)目標，應(ying)(ying)力(li)波(bo)作為(wei)信(xin)(xin)息(xi)(xi)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)介質，探索基于(yu)(yu)擴頻理論的(de)大(da)型固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)狀(zhuang)態(tai)(tai)多(duo)(duo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)信(xin)(xin)息(xi)(xi)應(ying)(ying)力(li)波(bo)通(tong)(tong)信(xin)(xin)機理，拓展(zhan)了擴頻理論應(ying)(ying)用(yong)新領域，對大(da)型工(gong)(gong)業固(gu)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)健(jian)(jian)康監(jian)測(ce)(ce)理論及其方法發(fa)展(zhan)，具有(you)(you)重要(yao)(yao)的(de)學術價值和(he)實際(ji)意(yi)義。

　　實驗目的：驗證基(ji)于擴(kuo)頻理論(lun)的結構狀態監測多傳感(gan)應(ying)力波(bo)通信(xin)新方法(fa)是否可行，為后續實驗做論(lun)證和鋪墊。

　　測試設備：功(gong)率放大器(qi)、信號發生器(qi)、上位機、數據(ju)采集卡、定滑輪、7股鋼纜線、PVC管、接受端PZT（壓電材料）、發射(she)端PZT等。

　　實驗過程：為(wei)了驗證擴頻理論的(de)大型固體結構(gou)狀態多傳(chuan)感(gan)信(xin)息(xi)應(ying)力波通(tong)信(xin)機(ji)理在(zai)水(shui)環境特殊結構(gou)中應(ying)用可行性(xing)，建立(li)圖(tu)1-1所示水(shui)環境下多傳(chuan)感(gan)信(xin)息(xi)應(ying)力波通(tong)信(xin)實驗平臺，包(bao)括(kuo)PZT(piezoelectricceramictransducer)、7股(gu)鋼纜線、PVC管(內徑10cm)、KEYSIGHT33500B信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)、安泰AT-2042功率放(fang)大器(qi)、數(shu)(shu)據采集卡(ka)(ka)和(he)負(fu)責(ze)對信(xin)號(hao)進行擴頻調制(zhi)和(he)信(xin)息(xi)恢復處理的(de)上(shang)(shang)位機(ji)等(deng)，其(qi)中上(shang)(shang)位機(ji)分(fen)別與(yu)(yu)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)、數(shu)(shu)據采集卡(ka)(ka)相(xiang)連。上(shang)(shang)位機(ji)將激(ji)勵信(xin)號(hao)和(he)調制(zhi)信(xin)號(hao)輸送到信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)，并接(jie)收數(shu)(shu)據采集卡(ka)(ka)采集到接(jie)收信(xin)號(hao)。壓電放(fang)大器(qi)與(yu)(yu)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)連接(jie)，可對激(ji)勵信(xin)號(hao)放(fang)大50倍。所用PZT規格為(wei)5*8mm，PZT即作為(wei)執行器(qi)又作為(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)，粘(zhan)貼于鋼纜線結構(gou)表面，發(fa)射端(duan)與(yu)(yu)接(jie)收端(duan)相(xiang)距(ju)80cm。

　　圖1-1：鋼(gang)纜線水下環境應力波通信(xin)實驗圖

圖1-2：a) Labview 虛(xu)擬儀器接收信號設(she)置界面；圖1-3：信號采集端接收到的(de)噪聲信號

　　接收(shou)端(duan)通(tong)過應力波通(tong)信數(shu)據采集系統接收(shou)信號，如圖1-2所示，通(tong)過labview虛擬儀(yi)器，對應力波信號的采集進行通(tong)道選擇、采樣頻率、采樣周期等設置，正確設置采集參數(shu)后(hou)，接收(shou)到幅值為5mv，頻率為50Hz的噪聲(sheng)信號，如圖1-3所示。

　　實驗結果：

圖1-4：鋼纜線介質不同頻率五峰值信號頻散測試結果

　　圖1-4為鋼纜線(xian)介質(zhi)不(bu)同(tong)(tong)頻(pin)率五峰(feng)(feng)值信(xin)號(hao)(hao)頻(pin)散(san)測試結(jie)果，由圖可知，隨(sui)著五峰(feng)(feng)值探測信(xin)號(hao)(hao)頻(pin)率的(de)增大，信(xin)號(hao)(hao)在固體結(jie)構中傳(chuan)(chuan)播分(fen)成了(le)不(bu)同(tong)(tong)頻(pin)率的(de)幾個信(xin)號(hao)(hao)，即頻(pin)散(san)現象越嚴(yan)重，信(xin)號(hao)(hao)失真度(du)越大，影響到信(xin)號(hao)(hao)傳(chuan)(chuan)輸的(de)質(zhi)量，所以(yi)(yi)低頻(pin)段(duan)15KHz以(yi)(yi)下的(de)信(xin)號(hao)(hao)有利于(yu)鋼纜線(xian)固體結(jie)構中應力波的(de)傳(chuan)(chuan)播。

圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

　　本(ben)文實驗素材由西安(an)(an)安(an)(an)泰(tai)電子(zi)整理發(fa)(fa)布，如(ru)想(xiang)了解更多實驗方案(an)，請持續關注安(an)(an)泰(tai)官網hkdyw.cn。Aigtek是國內專業(ye)從事測量儀(yi)器研(yan)發(fa)(fa)、生產(chan)和銷售的高科技(ji)企業(ye)，一直專注于高壓放(fang)大器、電壓放(fang)大器、功率放(fang)大模塊、高精度電流源等測試儀(yi)器產(chan)品的研(yan)發(fa)(fa)與制造(zao)。